שיבוץ מבוסס אופטימיזציה במערכות ייצור גמישות

1. שיבוץ מבוסס אופטימיזציהבמערכות ייצור גמישות פרויקט מסכם לתואר במדעים(B. Sc.) במתמטיקה שימושית מאת: נטליה גוטקין מנחה: ד"ר בוריס שניץ

2. מבוא שיבוץ הוא תהליך של קבלת החלטות במפעלים ותעשיות הנותנות שירות. השיבוץ עוסק בהקצאת משאבים (כגון מכונות ייצור, חומרים, כוח עבודה וכו')למשימות בצורה היעילה ביותר. המשאבים והמשימות יכולים להיות רבים ומגוונים, כגון: • דוגמאות למשאבים: מכונות ייצור במפעלים, מסלולי המראה בנמלי התעופה, צוותים בבניית אתרים, יחידות עיבוד במחשב ועוד. • דוגמאות למשימות: שלבים בתהליכי הייצור, המראות ונחיתות של מטוסים בנמלי התעופה, שלבים בתהליך הבנייה, ריצות של תוכנות מחשב ועוד.

3. לכל משימה יכולה להיות רמת עדיפות משלה, זמן התחלה המוקדם ביותר האפשרי ומועד סיום נדרש. ישנם מספר מטרות שברצוננו להשיג על ידי השיבוץ: למשל, מינימיזציה של זמן הסיום של המשימה המסיימת אחרונה, כלומר לשבץ את כל המשימות שיש לבצע כך שיסתיימו מוקדם ככל הניתן. מטרה נוספת שנרצה להשיג על ידי שיבוץ יעיל היא מזעור מספר משימות מאחרות (המסתיימות אחרי זמן הסיום הנדרש). תהליך השיבוץ משחק תפקיד חשוב ברוב מערכות הייצור והשירות.

4. דוגמאות לשיבוץ • מפעל המייצר שקיות נייר נתבונן במפעל שמייצר שקיות נייר עבור מלט, פחם, מזון כלבים, וכן הלאה. חומר הגלם הבסיסי לייצור המוצרים הנ"ל הוא גלילי נייר. תהליך הייצור מורכב משלושה שלבים: הדפסה של הלוגו, הדבקה של צדדי השקית, ותפירה בקצה אחד או בשני הקצוות של השקית. ייצור כל שלב מתבצע על מספר מכונות אשר אינו בהכרח זהה בכל שלב. המכונות בכל שלב עשויות להיות שונות במהירויות בהן פועלות, במספר הצבעים שהן יכולות להדפיס או בגודל של שק שהן יכולות לייצר. לכל הזמנה (לכמות מסוימת של שקיות נייר) יש דרישות משלה(כגון: צבע, גודל, לוגו המודפס על השקית ועוד). הזמנה חייבת להיות מיוצרת ונשלחת על ידי המפעל לידי הלקוח בתאריך שנקבע מראש.

5. הקצאות השערים בנמל תעופה בנמלי התעופה הגדולות יש עשרות שערים מאות מטוסים הנכנסים ויוצאים מדי יום. השערים אינם כולם זהים וכך גם המטוסים. חלק מהשערים נמצאים במקומות בהם מאוכלסים מטוסים גדולים. שערים אחרים נמצאים במקומות עם גישה מוגבלת למטוסים; המטוסים מגיעים ועוזבים לפי לוח זמנים מסוים אשר מושפע בין היתר מגורמים אקראיים כמו תנאי מזג האוויר או אירועים בלתי צפויים בנמלי תעופה אחרים. זמן היציאה המתוכנן הוא למעשה זמן שניתן לראות בו "זמן סיום נדרש של כל הפעולות שיש עם המטוס"-(עליית נוסעים, מטען וכו'),והביצועים של חברת התעופה נמדדים בהתאם. עם זאת, אם ידוע מראש שהמטוס לא יכול לנחות בשדה התעופה הבא בגלל העומס הצפוי בזמן ההגעה המתוכנן שלו, אז המטוס לא ממריא.

6. אם המטוס אינו מורשה להמריא, מופעלת בדרך כלל מדיניות שקובעת כי הנוסעים יישארו בטרמינל ולא על המטוס. אם העלייה נדחתה, מטוס עשוי להישאר בשער למשך תקופה ארוכה, ובכך למנוע ממטוסים אחרים להשתמש בשער. על המשבץ יש להקצות מטוסים ושערים בצורה שתביא לאופטימום את מספר המטרות. עליו להקצות מטוסים לשערים מתאימים הזמינים בשעות ההגעה של המטוסים. המטרות כוללות מזעור עבודה עבור אנשי חברת התעופה ומזעור עיכובים של המטוסים. בתרחיש זה השערים הם המשאבים וכל הפעולות של הטיפול והשירות במטוסים הן המשימות. הגעתו של המטוס לשער מייצגת את זמן התחלת המשימה ושעת יציאתו מייצגת את הזמן להשלמת המשימה.

7. שיבוץ במפעלי ייצור כעט נתייחס לסביבה גנרית של מפעל ייצור ותפקיד השיבוץ בה. הזמנות שקיבל המפעל צריכות להיות מתורגמות לעבודות עם תאריכי סיום מוגדרים. עבודות אלו אמורות להיות מעובדות על המכונות במרכזי עבודה לפי סדר עדיפות מוגדר או לפי הרצף. לפעמים הביצוע מעוכב כאשר הרבה עבודות מגיעות בו זמנית לאותן המכונות. מקרים בלתי צפויים שיכולים לקרות במפעל כגון אי-תקינות של מכונה מסוימת או תהליך ארוך שמתעכב במכונה ספציפית, גם הם אמורים להיות לקוחים בחשבון בעת תכנון השיבוץ. אחרי שבוצע תהליך השיבוץ יש לוודא כי כל חומרי הגלם והמשאבים הנדרשים לתהליך הייצור נמצאים במלאי וזמינים.

8. שיבוץ בסביבות ייצור שונות • מכונה בודדת- מקרה הכי פשוט של תהליך ייצור בו קיימת רק מכונה אחת (בודדת) האמורה לבצע אוסף של משימות שונות (עם זמני עיבוד שונים). • מכונות זהות במקביל- בתהליך ייצור משתתפותm מכונות זהות במקביל. כל משימה, הכוללת פעילות אחת, יכולה להתבצע על כל אחת מהמכונות הנ"ל. זמני ביצוע של משימות שונות יכולים להיות שונים. • מכונות במקביל עם קצב שונה- בתהליך ייצור משתתפות m מכונות שפועלות במקביל, אבל המכונות הן שונות מבחינת קצב העבודה שלהן. Tijהוא זמן ייצור של משימה j על מכונה i.מכונה i מייצרת בקצב .Vi

9. -Flow shopבתהליך ייצור משתתפות m מכונות. כל משימה חייבת להיות מעובדת על כל אחת מהמכונות כאשר סדר העיבוד הוא זהה לכל המשימות (כלומר לכל משימה יש אותו מסלול).אחרי שמשימה עוברת מכונה אחת היא נכנסת לתור למכונה השנייה במסלול, וכך הלאה. זמן ייצור של משימה i על מכונה j הואTij. • Job shop-בתהליך ייצורm מכונות. לכל משימה שנכנסת לעיבוד יש מסלול ספציפי משלה. משימות לא חייבות לעבור את כל המכונות, ייתכן שבמסלול ישתתפו רק חלק מהן, אבל לכל היותר כל משימה נכנסת לכל מכונה פעם אחת. (כלומר לא יקרה מצב שבו משימה מעובדת פעמיים או יותר על אותה מכונה). * קיימים עוד סוגים רבים של סביבות ייצור, שלא נפרט לגביהם כאן.

10. הגדרת הבעיה נדון במפעל ייצור כלשהו אליו מגיעות משימות אותן נדרש לעבד באמצעות המכונות הקיימות. יש להחליט על שיבוץ המשימות על המכונות. בבעיית שיבוץ זו ניתן להבדיל בין המקרים הבאים: • מקרה 1: מקרה של שיבוץ סטטי בו בנקודת זמן של קבלת ההחלטה קיים מידע על כל הN- משימות שנדרש לעבד. • מקרה 2: מקרה של שיבוץ דינאמי, בו במהלך עבודת המערכת ממשיכות להגיע משימות נוספות שאותן שנדרש לעבד. בכל רגע במערכת ישנןN ((N=0,1,2,…. משימות וM - מכונות. בנקודת זמן של קבלת ההחלטה מסתכלים על המצב הנתון של מערכת ומשבצים את המשימות הנמצאות במערכת והצפויות להגיע למערכת במשך פרק הזמן המוגדר. • בתהליך השיבוץ ניתן להגדיר פונקציות מטרה שונות אךבעבודה זו נבחרה פונקציית מטרה הממזערת את סכום זמני הסיום של המשימות.

11. בניית המודל המתמטי סימונים: • i- אינדקס של משימה (1,…,I) • j- אינדקס של פעילות (1,…,J) • k- אינדקס של מכונה (1,…,K) • Ci- i זמן סיום של משימה • JRi- i זמן מוכנות של משימה • Sij - i של משימה j זמן תחילת העיבוד של פעילות • tijk- k על מכונה i של משימה j זמן עיבוד של פעילות • MRk– k זמן מוכנות של מכונה

12. אם פעילות j של משימה i , 1 מעובדת על מכונה xijk = k אחרת , 0 זמן תחילת עיבוד של פעילות j של משימה iSMijk - על מכונה k מספר גדול כלשהוW – אם פעילותj של משימה i משובצת לפני פעילותq של משימה p , 1 על מכונה kδijpqk = אחרת , 0

13. פונקציית מטרה ואילוצים לבעיה

16. המחשה ופתרון הבעיה ע"י דוגמא • הצגת הדוגמא בטבלה הבאה מוצגת דוגמא לתהליך ייצור הכולל 5 משימות שלכל אחת מהן 3פעילויות. כמו כן, ישנן 4 מכונות לביצוע המשימות הנ"ל. עבור כל פעילות של כל משימה מוצגות המכונות עליהן הפעילות יכולה להתבצע ומשך הזמן לביצוע פעילות זו. המטרה היא מזעור של סכום זמני סיום של כל המשימות. • הנחות נוספות לדוגמא: זמני מוכנות של כל המכונות (MRk) ושל כל המשימותJRi) ) שווים ל-0.

18. תוצאות • נפתור את הבעיה המוצגת בדוגמא ע"י התוכנה לאופטימיזציהLingo . • נציג את תוצאות הפתרון שקיבלנו באמצעות דיאגרמת גנט. בפלט התוכנית מקבלים עבור כל פעילות של כל משימה לאיזו מכונה היא משובצת, כמה זמן נמשך העיבוד במכונה זו ו סך זמני העיבוד של כל המשימות. האילוצים שתוכננו דואגים לכך שלא יהיו חפיפות, שעל אותה מכונה לא ישובצו בו זמנית שתי משימות, שאותה פעילות של משימה כלשהי לא תשובץ פעמיים ושפעילות כלשהי של כל משימה לא תתבצע לפני הפעילות הקודמת לה.

19. דיאגרמת גנט

20. עבודה לעתיד • כהמשך והרחבות האפשריות ניתן לבנות מודל דומה לפתרון בעיית השיבוץ בסביבות ייצור אחרות. כמו כן ניתן להגדיר פונקציות מטרה אחרות לבעיה. בנוסף ניתן להגדיר ולהרחיב את המודל למקרה של שיבוץ דינאמי, בו במהלך עבודת המערכת ממשיכות להגיע משימות נוספות שאותן שנדרש לעבד.

21. תודה רבה !